Способ определения положения центра тяжести ускоренного пучка заряженных частиц

(71) Ереванский физический институт(56) РзсЬег О.Е. Боте ТгоидЬсз оп ВеапРозаоп Моптогз аког ТеУ Опеаг СоЫегз,Ргое о 1 О/огКзЬороп Роузез оГ 1 пеогСо бегз. Сарг, )цпе, 1988, р, 273,К 1 егпап К Веагп Оа 9 позтсз апбСоптго 1 ат Аабйп, Кцс 1,пзбг, Мей. А 266,1988, р, 172.Тер-Микаэлян М.Л, Влияние среды наэлектромагнитные процессы при высокихэнергиях, Ереван, Изд-во АН Арм,ССР,1969, с. 379.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖНИЯ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ УСКОРЕННОПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам измерения параметров пучка ускоряемых и накапливаемых частиц.В ускорительной технике известны способы определения координат центра тяжести пучка частиц, заключающиеся в определении отнощения сигналов, образующихся в результате наведения заряда на пикап-электроды, установленные вокруг пучка частиц. Одна:о, способ имеет сравнительно низкую чувствительность и недостаточную помехоустойчивость, что не позволяет обеспечить достаточную точность измерения при малых смещениях центра тяжести пучка частиц.(57) Использование: относится к ускорительной технике, в частности к способам измерения параметров пучка ускоряемых и накапливаемых частиц, Сущность изобретения: контролируемый пучок частиц пропускают через отверстие в экране, при этом генерируется дифракционное излучение, интенсивность которого экспоненциально зависит от расстояния между краем экрана и центром тяжести пучка. Далее изображение излучающих краев отверстия оптическим устройством проецируется на детектирующее устройство и по его форме определяют положение центра тяжести пучкаю.Новым в изобретении является применение экрана с отверстием, генерирующим оптическое дифракционное излучение, причем размер отверстия должен удовлетворять условию 1Л. Е/гпс . где л, - длина2волны излучения, Е и гг,с - энергия и масса2покоя излучающей частицы, 3 ил. Наиболее близким техническим решением является способ определения положения центра тяжести пучка частиц, при котором ускоренный пучок частиц пропускают через поперечное магнитное поле, возникающее при этом электромагнитное синхротронное излучение в оптическом диапазоне длин волн выводят за пределы пучкопровода, посредство.л полупрозрачного зеркала расщепляют излучение на вертикальную и горизонтальную составляющие, которые системой зеркал и объективов проецируют на фотодиодные матрицы и по форме распределения сигналов на последних определяют положение центра тяжести синхротронного излучения, совпадающее сцентром тяжести пучка. Известное устройство, реализующее этот способ, содержит четыре отклоняющих зеркала, полупрозрачное зеркало, два объектива и две диодные матрицы.Недостаток известного способа и устройства, реализующего его, заключается в том, что они не позволяют производить измерения на прямолинейных участках траектории движения частиц, в результате чего не10могут быть применены на линейных ускорителях, а также на участках столкновения пучков в коллайдерах и на выведенных пучках, Чувствительность устройства ограничена величиной шумов диодной матрицы, а также размерами ячеек, составляющих диодную матрицу.Целью изобретения является повышение точности измерения положения центратяжести частиц в пучках, обеспечение возможности измерений как на прямолинейных, так и на криволинейных участках траектории путем использования дифракционного излучения быстрых частиц при их пролете через отверстие произвольной формы в экране,указанная цель достигается тем, что в способе определения положения центра тяжести частиц пучок пропускают через отверстие в экране, при этом генерируется дифракционное излучение, обладающее следующими свойствами; оно обусловлено только наличием экрана и не зависит от кривизны траектории движения частиц; интенсивность излучения экспоненциально зависит от расстояния между краем отверстия и центром тяжести пучка и имеет резкую направленность вперед; излучение поляризовано таким образом, что преимущественное направление вектора электрических колебаний лежит в плоскости экрана, Далее излучение выводят за пределы пучкопровода. очищают от рассеянного фонового излучения, затем изображение излучающих краев отверстия или щели проецируют на детектирующее устройство и по форме этого изображения определяют положение центра тяжести пучка.Поставленная цель достигается также тем, что устройство содержит экран с круглым отверстием с диаметром, отвечающим условиюЛ Е/пс, где Л - длина регист 2рируемой волны, Е и вс - энергия и масса2покоя излучающих частиц. светофильтр с относительной полосой пропускания д Л/Лх х 10 - 10, поляризационный фильтр для иск-глючения рассеянного фона, а также объектив для проецирования изображения излучающих краев отверстия на детектиру 152025 30 35 40 45 50 55 ющее устройство. По форме пространственного изображения картины излучения и по соотношению интенсивностей на различных участках края отверстия определяют положение центра тяжести пучка частиц.Другим вариантом является устройство, содержащее экраны, образующие щель, через которую пролетают частицы пучка; при этом расстоянияот центра тяжести пучка до краев щели уолжны удовлетворять условиюЛЕ/пс .Поставленная цель достигается благодаря экспоненциальной зависимости интенсивности излучения от расстояния между излучающей кромкой щели или отверстия и центром тяжести пучка, а также независимости инте сивности излучения от кривизны траектории движения частиц в сочетании с монохроматизацией и оптическим переносом изображения излучающей кромки на детектирующее устройство обеспечивают достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.На фиг. 1 приведена зависимость изменения числа излученных фотонов относительно исходного д / от величины относительного смещения положения центра тяжести пучка д / при среднем радиусе пучка 25 мкм, начальном расстоянии= 1 мм, у= 8000, Л= 300 нм и дЛ/Л= 0.001; на фиг. 2 - распределение интенсивности дифракционного излучения вдоль края щели при вышеуказанных условиях; на фиг, 3 - пример выполнения устройства.Предлагаемые способ и устройство определения положения центра тяжести пучка частиц реализованы следующим образом, Экран-генератор дифракционного излучения устанавливается на контролируемом участке пучка частиц, Диаметр отверстия или размер щелиопределяется Лоренц- фактором у= Е/тс, где Е и гпс - энергия иг 2масса покоя частиц пучка, и регистрируемой длиной волны в соответствии с условиемЛу, Отсюда следует, что предлагаемое техническое решение может быть реализовано на современных ускорителях и накопителях с диаметром пучка менее 100 мкм и Лоренц-Фактором100,Нижеследующие результаты получены в результате численного моделирования методом Монте-Карло процессов излучения и детектирования для варианта экрана со щелью и пучка частиц с поперечным распределением плотности. имеющим форму распределения Гаусса со средним значением радиуса В = 25 мкм.Как следует из фиг. 1, при приведенныхвыше в качестве примера параметрах относительное смещение положения центра тяжести пучка на величинуд / =0,001(т.е. при-1 мм д= 1 мкм) сопровождается атно сительным изменением интенсивности излучения на величину д / = 7,2 10 Очевидно, что отношение интенсивностей, излученных двумя противоположными краями щели при указанном смещении пучка, 10 составит/ = 1,014 в отличие от известных технических решений с использованием синхротронного излучения или пикап-электродов, где относительное изменение величины сигнала А 1/Аг составило бы 1,002, 15 Абсолютное число фотонов, излучаемых каждым из краев щели, при среднем токе ускорителя 100 мкА составит порядка8 -110 с, Помимо резкой зависимости интенсивности излучения от величины смеще ния положения центра тяжести пучка, пространственное распределение интенсивности излучения вдоль края щели также чувствительно к положению центра тяжести пучка, Как следует из фиг, 2, излучение на 25 каждом из краев щели имеет четко выраженный максимум, совпадающий с положением центра тяжести пучка, что дает дополнительную информацию о смещениях пучка.Возможны два варианта практической 30 реализации способа.На фиг. 3 приведен вариант, использующий в качестве детектора излучения четыре фотоумножителя. Пучок проходит последовател ьно сквозь щел ь экрана 1 (на 35 фигуре указана только вертикальная щель) и сквозь отверстие наклонного зеркала 2, Излучение с краев экрана отражается зеркалом и выводится за пределы пучкопровода (в случае криволинейной траектории 40 отражающее зеркало не требуется). Далее оно системой оптических линз 3 попадает на поляризованный фильтр 4, отсекающий неполяризованное фоновое излучение, Затем излучение проходит через светофильтр 45 5, необходимый для выделения из полного спектра излучения узкого интервала длин волн. В результате на детектирующее устройство 6 параллельно переносится изображение картины излучающих кромок щели 50 (при необходимости можно получить увеличенное изображение). Детектирующее устройство состоит из четырех фотоумножителей, регистрирующих свет с каждого из краев щели, затем по соотношению сигна лов с противоположных фотоумножителей определяется положение центра тяжести пучка, При вышеуказанных условиях смещение центра тяжести пучка на величину д /мкм/ относительно центрального положения приведет к изменению отношения сигналов двух противоположных фотоумножителей на величину 5,8210 д . Это означает, что если сигналы с фотоумножителей анализировать посредством амплитудно- цифровых преобразователей с числом разрядов 10, то минимальная чувствительзность устройства составит 0,17 мкм.Возможен вариант устройства, в котором излучение с каждого края щели регистрируется позиционно-чувствительным детектором типа приборов с зарядовой связью, либо мозаики из волоконно-оптических световодов, разведенных на индивидуальные фотоумножители или фотодиоды. При этом имеется возможность, контролировать положение пучка не только по соотношению суммарных сигналов от каждой из краев, но и по положениям максимумов в изображениях излучающих краев,Использование предлагаемого способа определения положения центра тяжести пучка ускоренных частиц и устройства для его реализации обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: - высокую чувствительность к малым смещениям центра тяжести пучка; - возможность его применения как на кольцевых, так и на линейных ускорителях и накопителях частиц, а также на выведенных пучках; - высокое быстродействие устройства и воэможность его включения в цепь обратной связи для автоматического регулирования положения центра тяжести пучка; - возможность визуализации положения пучка.Формула изобретения Способ определения положения центра тяжести ускоренного пучка заряженных частиц, основанный на регистрации электромагнитного излучения частиц в оптическом диапазонедлин волн, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерений как на прямолинейных, так и на криволинейных участках траектории движения частиц, а также повышения точности измерения, пучок пропускают через отверстие произвол ьной формы в экране, имеющее ширинуА Е/вс, где 1 - длина регистрируемойгволны, м;гЕ и пс - соответственно энергия и масса покоя частицы, регистрируют возникающее при этом дифракционное излучение, затем по форме пространственного распределения этого излучения определяют положение центра тяжести пучка.1788605 1 вв 2 вв ззз 4 щ 5 вв191 як н) оставитель А. Оганесяехред М.Моргентэл орректор Э, Лончакова едакто За оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 78 Тираж Подписное ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5